LNG小型站安全設(shè)計.doc

LNG小型站安全設(shè)計引言隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速增長和能源需求的不斷擴(kuò)大，各國均有LPG的經(jīng)營活動，且LPG供氣范圍很大。但是相比較而言，液化天然氣因具有在公路、鐵路、船舶上高效運輸；用途廣，可作為車用燃料、發(fā)電燃料、民用及工業(yè)燃料、化工原料；供氣設(shè)施建設(shè)投資少、見效快、方式靈活等特點1，無疑給世界LNG工業(yè)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。我國雖然是資源大國，但由于本土天然氣資源有限，再加以戰(zhàn)略角度的考慮，使得發(fā)展LNG進(jìn)口項目，建設(shè)LNG小型站，彌補(bǔ)天然氣的不足成為目前國內(nèi)城市燃?xì)庑袠I(yè)較為關(guān)注的焦點。1LNG危險性分析液化天然氣(LNG，LiquefiedNaturalGas)是由天然氣轉(zhuǎn)變的另一種能源形式2。由于LNG96%以上都是甲烷，所以它和液體甲烷性質(zhì)基本類似，LNG的常壓沸點是162，液體密度為430kgm3，汽化潛熱為510.25kJm3。汽化后的氣體常壓密度是0.688kgm3，與空氣混合能形成爆炸性混合物，爆炸下限為3.6%6.5%，爆炸上限為13%17%3。LNG小型站內(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)主要是天然氣、液化天然氣等物質(zhì)，若處理不當(dāng)，極易發(fā)生火災(zāi)和爆炸等各類事故。從生產(chǎn)介質(zhì)的特性角度出發(fā)，具體說來主要有：(1)在某些LNG設(shè)備中，由于其組分和密度差異引起分層，導(dǎo)致LNG突然大量蒸發(fā)，壓力驟升。若壓力超過設(shè)備的極限承壓能力時，會造成設(shè)備的損壞和危險介質(zhì)泄漏，甚至爆炸。(2)LNG的儲存和操作都是在低溫下進(jìn)行的。因此，一旦發(fā)生泄漏，低溫會造成材料性能下降，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的事故，并對人體造成嚴(yán)重傷害。(3)雖然天然氣毒性較小，但其中通常含有82%98%的甲烷。一旦泄漏，會使空氣中的氧氣減少，造成人體缺氧窒息等人身傷亡事故。(4)空氣天然氣混合物的爆炸極限范圍非常窄。如果存在外部火源(火星，火焰等)，極易發(fā)生著火燃燒，甚至爆炸。同時，氣體燃燒產(chǎn)生的熱輻射會對人身及裝置造成極大危害。可見，對于LNG系統(tǒng)來說，安全是至關(guān)重要的。在設(shè)計過程中，必須通過危險分析及評估，確定與LNG裝置有關(guān)的危險，根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和運行管理經(jīng)驗，對小型站的安全設(shè)計全面把關(guān)，把人身和財產(chǎn)的損失風(fēng)險降到最低，使整個裝置達(dá)到一個較高的安全水平。2LNG小型站安全設(shè)計2.1概述目前，我國仍未頒布針對城市燃?xì)釲NG小型站設(shè)計的強(qiáng)制性規(guī)范。在已經(jīng)建設(shè)或正在進(jìn)行的LNG站項目中，通常是專業(yè)人員借鑒國外的標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外的管理經(jīng)驗，結(jié)合工程實際情況進(jìn)行設(shè)計和施工。常用的國外標(biāo)準(zhǔn)主要有美國國家標(biāo)準(zhǔn)液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝卸標(biāo)準(zhǔn)、日本部頒標(biāo)準(zhǔn)一般高壓瓦斯保安法則等，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要有石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范、城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范、建筑滅火器配置設(shè)計規(guī)范、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范等。為便于討論，我們將液化天然氣事故劃分為兩類4。第一類是當(dāng)危險介質(zhì)泄漏、溢出時，沒有遇到著火源，沒有發(fā)生火災(zāi)，即“無火災(zāi)緊急事故”；另一類是泄漏時遇到著火源，立刻引起火災(zāi)；或溢出的液化氣體擴(kuò)散到一定范圍后，遇著火源發(fā)生燃燒爆炸，引起大面積火災(zāi)，即“有火災(zāi)緊急事故”。2.2無火災(zāi)緊急事故及其安全對策針對無火災(zāi)事故，各個主要設(shè)備所采取的安全措施有5：(1)LNG儲灌材料性能包覆在儲罐外層而外露的隔熱層應(yīng)具有防火、阻燃、阻蒸汽、防水的性能，且在消防水的沖擊下不會移動，有足夠的牢度。儲罐內(nèi)筒與外筒之間應(yīng)填充與LNG和天然氣性能適應(yīng)的不可燃隔熱材料。儲灌材料應(yīng)能適應(yīng)低溫性能要求，在LNG及其冷蒸汽溫度下仍能正常工作。安全間距LNG儲罐之間的最小安全距離按下表1確定。表1儲罐、用地線與儲罐之間的距離罐容積(水容積)/m3從圍堰邊緣到邊界線的最短距離/m儲罐之間的最短距離/m0.5000.51.9311.97.64.61.57.656.87.61.556.8114151.511426523相鄰儲罐直徑總和的1/4(最小1.5m)265儲罐直徑的0.7倍，但不小于30m動火設(shè)備和其他火源到任何圍堰區(qū)或儲罐排放系統(tǒng)的距離至少是15m。充裝容積LNG貯罐設(shè)計有一個最高液位限定值，用于防止液面過高，從溢出管排出。在充注LNG時，應(yīng)考慮到液體受熱后的體積膨脹而出現(xiàn)液位超高的情況。如果充注的LNG相對于儲存壓力來說，是已經(jīng)膨脹了的LNG，則可以充注到最高液位，反之則應(yīng)留有適當(dāng)?shù)目臻g給液體膨脹。凈化處理貯罐在首次充注LNG之前，或需要進(jìn)行內(nèi)部檢修停止使用以后，要進(jìn)行惰化處理。目的是要用惰性氣體將貯罐內(nèi)的空氣或天然氣置換出來，避免形成天然氣與空氣的混合物。閥門配置在沒有其它有效措施防止分層現(xiàn)象出現(xiàn)時，要求貯罐的進(jìn)液系統(tǒng)設(shè)有頂部進(jìn)液閥和底部進(jìn)液閥，當(dāng)充注液體與貯罐中原有液體熱物性有差異時，通過不同部位的輸送，使液體均勻，減少液體分層的可能性。另外，也可以采用機(jī)械攪動或進(jìn)口噴射，來達(dá)到均勻混合的目的。應(yīng)配有壓力控制裝置，使罐內(nèi)的壓力在允許范圍之內(nèi)。設(shè)置足夠的壓力安全閥，防止儲罐超壓；設(shè)置真空安全閥，判斷罐內(nèi)是否出現(xiàn)真空，預(yù)防貯罐出現(xiàn)負(fù)壓；并在壓力安全閥和真空安全閥與罐體之間還需設(shè)置有一個手動開關(guān)的截止閥，以便安全閥的檢修。在每個儲罐的液相管上設(shè)兩個緊急切斷閥，在裝置發(fā)生意外時切斷儲罐與外界的通道，防止儲罐內(nèi)的LNG泄漏。儲罐內(nèi)罐設(shè)安全放空閥，連通火炬，外罐設(shè)泄壓設(shè)施，放空氣體引至高點排放。多個儲罐之間的隔離閥應(yīng)留有0.9m的操作距離。測量儀表每臺儲罐應(yīng)配有兩套相互獨立的液位測量裝置、兩個相互獨立的鳴聲高液位報警器和壓力測量儀表。在儲灌內(nèi)、外筒真空夾套安裝儀表和接頭，測量夾層空間內(nèi)的絕對壓力。當(dāng)現(xiàn)場安裝的儲罐投入運行時，應(yīng)設(shè)置溫度檢測裝置，用來控制溫度或作為檢查和校正液位計的工具?？拐鹦阅芨鶕?jù)小型站及其周圍地區(qū)的地質(zhì)和氣象資料，分析發(fā)生地震和大風(fēng)雪等自然災(zāi)害的潛在可能性及其特性，考慮儲罐的抗震和抵御風(fēng)雪載荷的能力。(2)圍堰區(qū)在考慮LNG貯罐的規(guī)劃時，應(yīng)充分考慮到貯存和裝卸LNG時，如果發(fā)生意外情況，LNG有可能泄漏或溢出，及對附近人員和重要設(shè)備具有潛在的危害性。對于小型LNG貯罐，常見方法是在貯槽周圍設(shè)置采用壓實土、混凝土、金屬等耐低溫材料建造的屏障，如堤堰、護(hù)墻或蓄液坑等。其作用是儲罐發(fā)生泄漏等事故時，可燃液體被限制在圍堰區(qū)內(nèi)，不會四處流淌，防止LNG擴(kuò)散；另外，如果發(fā)生火災(zāi)，還能阻止火焰蔓延到周邊地區(qū)，使對周圍設(shè)施造成的危害降低到最小程度。因此，圍堰內(nèi)的容積應(yīng)足夠容納儲罐內(nèi)的液化天然氣，它包括排放區(qū)域的任何可用容積，以及考慮到積雪置換、其它儲罐和設(shè)備而留出的余量。當(dāng)儲罐工作壓力小于或等于0.1MPa時，防護(hù)欄或圍堰墻的高度和與儲罐之間的距離根據(jù)圖1確定。注明：1.尺寸x應(yīng)該等于或大于尺寸Y與液化天然氣液相上部氣相壓頭之和；例外：防護(hù)欄或圍堰墻高度等于或大于最大液面高度時，x可以取任意值。2.尺寸x表示儲罐內(nèi)壁到防護(hù)欄或圍堰墻內(nèi)側(cè)的距離。3.尺寸Y表示最大液面高度到防護(hù)欄或圍堰墻頂部的距離。除此以外，對于有可能產(chǎn)生漏泄的閥門、接頭處則須設(shè)置擋板，防止LNG的噴射；下方要設(shè)置集液盤，收集漏泄的LNG，并通過排液管引入蓄液坑。(3)汽化器閥門配置汽化器組的各個汽化器都應(yīng)進(jìn)口、出口處設(shè)置切斷閥。為防止泄漏的LNG進(jìn)入閑置汽化器組，應(yīng)安裝兩個進(jìn)口閥門，并采用其它安全措施排空聚集在兩個閥門之間的LNG或燃?xì)?。在距汽化?5m的LNG管路上應(yīng)安裝切斷閥，可由現(xiàn)場操作或遠(yuǎn)程控制，且有一定保護(hù)措施預(yù)防閥門因外部冰凍條件而失效。每臺汽化器都應(yīng)安裝安全減壓閥，在加熱汽化器正常工作時，應(yīng)設(shè)置在溫度不超過60的地方。在流體管路上配置自動控制切斷閥，該閥門到汽化器的距離至少是3m，且在管路失壓(過流)、汽化器周圍區(qū)域溫度異常(發(fā)生火災(zāi))、或汽化器出口管路出現(xiàn)低溫時，能自動關(guān)閉。其它配置每臺加熱汽化器都應(yīng)配備切斷熱源的裝置，它可由現(xiàn)場操作或遠(yuǎn)程控制操作。配備與僅用于緊急情況的管路閥門配合使用的自動裝置，防止LNG或蒸汽在高于或低于外送系統(tǒng)溫度進(jìn)入輸配系統(tǒng)。配置溫度檢測裝置，用來測量其LNG、蒸發(fā)氣體和熱交換流體介質(zhì)的進(jìn)出口溫度，確保傳熱效率。安全間距除非導(dǎo)熱流體介質(zhì)是不可燃的，否則汽化器及其主要熱源與其它任何火源之間的距離至少是15m。整體加熱汽化器到用地線的距離至少是30m，且到以下地點的距離至少是15m：任何圍堰區(qū)內(nèi)LNG、可燃制冷劑或可燃液體、或在其它任何事故泄漏源與圍堰區(qū)之間運送這幾種液體的管道；LNG、可燃液體、可燃制冷劑或可燃?xì)怏w儲罐，含有這幾種液體的不動火工藝，或轉(zhuǎn)移這些液體的裝卸設(shè)備接頭；控制大樓、辦公室、商店、用于居住或其它重要建筑物。遠(yuǎn)程加熱汽化器、環(huán)境汽化器可以安裝在圍堰區(qū)內(nèi)。布置有多個汽化器時，各汽化器之間的距離至少為1.5m。(4)壓縮機(jī)和泵材料選擇制造壓縮機(jī)和泵的材料應(yīng)能夠在可能遇到的工作溫度和壓力下保證正常工作。閥門配置閥門的設(shè)置應(yīng)使每臺壓縮機(jī)和泵均夠單獨進(jìn)行維修保養(yǎng)，且出口管處應(yīng)安裝減壓裝置。當(dāng)泵或離心式壓縮機(jī)因操作需要而并列安裝時，每個出口管線上應(yīng)安裝止回閥。泵應(yīng)設(shè)置有足夠能力的泄壓閥，當(dāng)用于輸送溫度低于29的液體時，應(yīng)配備預(yù)冷裝置，確保泵不被損壞或造成臨時或永久失效。處理可燃?xì)怏w的壓縮機(jī)，應(yīng)在可能發(fā)生氣體泄漏的點設(shè)置排氣道，并將氣體引至安全地方排放。(5)LNG管道及其組件材料選擇設(shè)計管道及組件時，應(yīng)考慮到熱循環(huán)作用對材料的疲勞作用。對那些相互連接的管道、閥門、配件和其它管件，當(dāng)管壁厚度不同時，特別要引起注意。因此，為減輕火災(zāi)等意外事故的危害，包覆防水、隔熱、阻燃、抗極端溫度的管道隔熱材料是必要的。建議不采用鋁、銅、銅合金或其它低耐火能力的材料，鑄鐵類管道則不允許使用。連接方式公稱直徑不大于50mm的管道采用螺紋連接、焊接或法蘭連接密封結(jié)構(gòu)；公稱直徑大于50mm的管道采用焊接或法蘭連接。除管材不同、設(shè)備連接或維修位置等必要位置以外，盡可能少使用螺紋連接和法蘭連接。管道系統(tǒng)不允許使用F型接管、螺旋焊接結(jié)構(gòu)和對接焊的焊接結(jié)構(gòu)。閥門配置設(shè)置切斷閥和隔離閥，用來使事故中泄漏的危險液體體積降到最小，且數(shù)量足夠，確?，F(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制都能實現(xiàn)順利停止工藝和轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)，或在緊急事故中完全關(guān)斷系統(tǒng)；設(shè)置熱膨脹閥，防止壓力過高；設(shè)置安全減壓閥，使對管道及其附件的破壞程度降到最低。在液相管道的兩個切斷閥之間設(shè)置安全閥，一旦兩個切斷閥關(guān)閉。管道內(nèi)的液體受熱氣化時，安全閥自動起跳，以防超壓造成事故。氣相總管上設(shè)緊急放空裝置，一旦有誤操作或設(shè)備超壓安全閥起跳以保護(hù)氣相管道的安全。支撐系統(tǒng)管路支撐系統(tǒng)應(yīng)具有耐火性和耐低溫性能。低溫管道的支撐系統(tǒng)有保冷措施，防止因傳熱造成的管道結(jié)冰或支撐鋼材脆化。凈化處理管路系統(tǒng)在首次充注LNG之前，要用氮氣或二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行惰化處理。(6)LNG裝卸設(shè)備安全間距LNG和可燃制冷劑的裝卸接口到不可控制火源、工藝區(qū)域、儲罐、控制大樓、辦公室、商店、居民樓和其它建筑物的距離至少是15m。2.3有火災(zāi)緊急事故及其安全對策對于著火的LNG事故，可以根據(jù)以下原則進(jìn)行處理。盡量切斷氣源，控制泄漏。對著火罐及鄰近罐和設(shè)備進(jìn)行冷卻保護(hù)，避免儲罐設(shè)備受熱超壓造成更大災(zāi)害。將泄漏的LNG引至事故集液池等安全地帶，再用高倍泡沫覆蓋，使其安全氣化，避免燃燒擴(kuò)大。通常，消防安全設(shè)計包括以下幾個部分：(1)分布控制系統(tǒng)(DistributeControlSystem，DOS)DOS系統(tǒng)用于顯示和控制LNG裝置的溫度、壓力、液位、流量等主要和重要的控制參數(shù)6。(2)緊急關(guān)閉系統(tǒng)(EmergencyShutDown，ESD)ESD系統(tǒng)與DOS系統(tǒng)相互獨立，在LNG裝置發(fā)生緊急狀況時開啟，用于隔離和關(guān)斷LNG、或其它可燃來源，并關(guān)閉那些如果繼續(xù)運行可能維持或增加災(zāi)情的設(shè)備。該系統(tǒng)應(yīng)同時配備自動遙控和手動按鈕。手動按鈕宜安裝在離相關(guān)生產(chǎn)單元一定距離處，數(shù)量應(yīng)在2個以上，并采取措施防止其受火災(zāi)熱輻射的影響。(3)火災(zāi)和泄漏探測報警系統(tǒng)可能發(fā)生可燃?xì)怏w聚集、LNG或可燃制冷劑溢流的地方和封閉的建筑物應(yīng)設(shè)置火災(zāi)和泄漏監(jiān)控設(shè)備。在天然氣生產(chǎn)設(shè)備和儲罐附近要設(shè)置可燃?xì)怏w濃度檢測報警裝置，當(dāng)氣體濃度達(dá)到爆炸下限的1025%時，即發(fā)出聲光警報，以便迅速采取緊急措施。在生產(chǎn)裝置區(qū)，除了設(shè)計可燃性氣體檢測，火焰探測器和火災(zāi)報警系統(tǒng)，還應(yīng)設(shè)置過冷檢測系統(tǒng)來檢測LNG是否泄漏。裝置內(nèi)所有的探測信號均送入DCS系統(tǒng)，并設(shè)置報警值，同時，重要的信號送入ESD系統(tǒng)實行單元切斷或全站聯(lián)鎖停車。(4)消防水系統(tǒng)消防給水系統(tǒng)由消防泵房、消防水罐、消防管道及消火拴、消防水炮等組成，用于消防，冷卻儲灌、設(shè)備和管道，控制未燃燒的泄漏或溢流危險物。消防水供應(yīng)和分配系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)滿足所有固定消防系統(tǒng)的同時使用需要。使它們在可能發(fā)生的最大單個事故時，保證在設(shè)計壓力和流量下供水，確保手持軟管的正常工作。連續(xù)供水時間不少于2h。需要說明的是，消防水在LNG裝置中是不能用來控制和撲滅火焰的，因為水在液體表面提高蒸氣生成速度反而會加快燃燒速度。但水的射流可以冷卻火區(qū)周圍未著火的設(shè)備、容器和管道，吸收和控制火災(zāi)產(chǎn)生的熱量，阻止火的蔓延，還能保護(hù)消防人員和企圖進(jìn)入火場關(guān)閉必需切斷氣源閥門的人員。(5)干粉滅火系統(tǒng)天然氣泄漏量較少時著火，可以用干粉、二氧化碳、鹵代烷滅火劑撲滅，但滅火后應(yīng)立即切斷氣體來源，阻止氣體溢出，否則可能引起復(fù)燃，甚至爆炸。對付高壓流量大的天然氣火災(zāi)，干粉滅火劑是最有效的。根據(jù)國外對撲滅天然氣火災(zāi)的經(jīng)驗，干粉連續(xù)噴放時間一般為2560秒，初步滅火后，干粉還必須間斷使用。(6)泡沫滅火系統(tǒng)采用高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)覆蓋儲罐區(qū)、管道、卸車臺泄漏及事故集液池內(nèi)的LNG，使其安全氣化，避免產(chǎn)生危險。有條件的站內(nèi)還可按規(guī)范要求設(shè)置固定式低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)，也可在儲罐、管道、卸車臺及重要設(shè)備上方設(shè)置泡沫噴淋滅火裝置。(7)移動式滅火器材在LNG設(shè)備和汽車槽車的關(guān)鍵位置屬于嚴(yán)重危險級別場所，應(yīng)設(shè)置便攜式或車輪式滅火器，能夠撲滅發(fā)生的火災(zāi)?？刂剖摇⒆兣潆娛覂?nèi)配置手提式二氧化碳滅火器，以保證迅速有效的撲滅初期火災(zāi)。進(jìn)入廠區(qū)的機(jī)動車輛應(yīng)配有至少一個便攜式干粉化學(xué)滅火器，其容量不低于9kg。2.4其它總圖布置在滿足工藝流程的前提下，應(yīng)合理布置功能分區(qū)，儲存區(qū)、生產(chǎn)及輔助區(qū)和辦公區(qū)應(yīng)分開設(shè)置。綜合考慮防火間距、消防車道及防火防爆要求。電力系統(tǒng)應(yīng)保證裝置供電系統(tǒng)的安全可靠性，并選擇與防爆區(qū)域等級相適應(yīng)的電氣設(shè)備。電纜也應(yīng)作防火處理，在發(fā)生火災(zāi)后仍可以作用。安全放散站內(nèi)設(shè)專用放空火炬，高30m40m，LNG儲罐、BOG儲罐、工藝管道及各生產(chǎn)工段的超壓泄放均引入火炬，避免在站內(nèi)形成爆炸性混合物。通風(fēng)措施處理LNG、可燃制冷劑和可燃?xì)怏w的建構(gòu)筑物應(yīng)采取通風(fēng)措施，使可燃?xì)怏w或蒸汽積聚可能性降到最低。如果蒸發(fā)氣體密度大于空氣，應(yīng)在蒸發(fā)氣體沉積處設(shè)置通風(fēng)裝置。人員安全工作人員進(jìn)行定期的培訓(xùn)，使他們了解LNG的特性及LNG暴露在外能產(chǎn)生的危害和影響，防護(hù)用品的作用和正確的使用方法。緊急情況下需要進(jìn)入對健康有害的大氣中時，工作人員除了應(yīng)具備必需的防護(hù)衣外，還應(yīng)裝備頭盔、面罩、手套、靴子和配備完備的呼吸用具，并存放在容易獲取的位置。由于工藝設(shè)備中的LNG及其蒸汽沒有味道，憑嗅覺檢測不到它們的存在時，需要安裝有合適的可燃?xì)怏w指示器。防雷防靜電站內(nèi)生產(chǎn)裝置相輔助設(shè)施、工業(yè)建筑均裝設(shè)避雷同和避雷針防止雷擊。裝置區(qū)內(nèi)的封閉金屬罐、塔及設(shè)備管道按規(guī)范要求作好防雷接地。建筑物耐火等級站內(nèi)建、構(gòu)筑物均應(yīng)按建筑設(shè)計防火規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，建、構(gòu)筑物及重要設(shè)備的聯(lián)合平臺，均應(yīng)設(shè)置兩個以上的安全疏散口；生產(chǎn)裝置內(nèi)的承重鋼框架、支座、裙座、管架等校規(guī)范要求涂覆耐火層保護(hù)，耐火層的耐火極限不低于1.5h。消防用電及通訊應(yīng)確保站內(nèi)的消防用電及通訊設(shè)施。消防控制系統(tǒng)、消防水泵、氣壓給水設(shè)備等主要